國外某綜合管廊工程的設計與應用

高 璇

(上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司,上海 200092)

0 引言

對于綜合管廊而言,其建設規(guī)模對于現(xiàn)代城市甚至國家的基礎設施建設水平是一個重要的衡量標志。綜合管廊在國外的發(fā)展已經(jīng)存在了很多年,尤其是在發(fā)達國家,對于綜合管廊的設計及建設技術(shù)已經(jīng)非常的完整及成熟。國內(nèi)綜合管廊通常是將各種管線(排水、給水、中水、電力、電纜、燃氣、通訊等)收集到同一個地下的隧道內(nèi),以便于今后的施工、維修及管理等[1]。而本項目綜合管廊主要作用是為沙特NEOM新未來城輸水管廊。同時施工時采用預制施工,充分利用裝配式的優(yōu)勢[2]。

NEOM區(qū)域位于沙特境內(nèi),本次管廊工程屬于NEOM the spine帶狀基礎設施工程的一部分。管廊與the spine基礎設施工程的其他工程內(nèi)容均以東西方向,平行于NEOM新城建設(見圖1)。管廊工程總長約80 km,其中西線為樁號6+000—44+000,東線工程為樁號44+000—86+194。該地區(qū)氣候干旱,年降雨量少;地下水位普遍較深。

本文通過對NEOM綜合管廊項目的設計過程闡述,為類似國外管廊項目的設計提供理論依據(jù)及經(jīng)驗參考。

1 管廊設計需求

1.1 管廊功能

此次建造綜合管廊主要目的是保障NEOM新城建設東西方向的輸水。NEOM新城是建設在大片沙漠中的綠色未來城市,受沙特自然環(huán)境的影響,保障水源的供應是十分重要的,所以管廊設計以輸水為主要目的,伴隨部分功能要求。

1.2 設計規(guī)范

國外與國內(nèi)在管廊設計中參考的規(guī)范不同,如荷載考慮不同[3-4]、規(guī)定的不同、結(jié)構(gòu)設計的不同[5]。參考NEOM-NEN-SCH-005技術(shù)規(guī)范和標準列表,與項目相關的設計規(guī)范和設計標準數(shù)量眾多。有些是由不同的發(fā)行機構(gòu)開發(fā)的。本次設計選擇的參考有:《LRFD橋梁設計規(guī)范》[6]《公路隧道設計與施工技術(shù)手冊》[7]《城市和農(nóng)村事務部道路設計手冊》《沙特建筑規(guī)范》及一些設計依據(jù)報告,除此之外,還有一些未列出的其他規(guī)范和標準。

1.3 特殊需求

對于本次管廊的功能和使用提出的相關要求也作為本次設計執(zhí)行的準則,與國內(nèi)規(guī)范在要求上也有所不同,主要從以下方面去響應:

1)管廊的縱斷面設計滿足以下要求:a.整個管廊應保持最大0.5 m的土壤覆蓋層,但在河溝處(管廊需要掩埋的地方)和未來的公用設施交叉處除外;b.最小土壤覆蓋層0.2 m;c.最大管廊坡度8%。2)SWT West管廊考慮的荷載包含:a.最大0.5 m的覆土荷載;b.附加最大1 m的砂土荷載;c.貫穿SWT West全長的MOMRA交通荷載;d.每間隔800 m寬度為70 m的未來公用設施交叉口荷載,考慮為SWT西管廊頂部7.2 m土壤覆蓋層的最小等效荷載。3)以1∶100年重現(xiàn)期洪水作為防護設計標準,為SWT設計所需的沖刷保護和防洪。4)管廊尺寸及凈距的設計滿足表1中的要求。

表1 管廊尺寸及凈距要求 mm

而對于國內(nèi)規(guī)范[8]則要求如表2所示。

表2 國內(nèi)綜合管廊的管道安裝凈距 mm

從表1,表2對比中可以看出,國外與國內(nèi)對于管道安裝的凈距要求無論是橫向還是縱向都是有所不同的。并且,國內(nèi)凈距要求是按照管道的材質(zhì)及管徑的大小范圍劃分的,而本次國外項目是按照管道的功能進行劃分的,這也是后面斷面類型界定的一個重要因素。

2 設計方法

2.1 設計理念

國內(nèi)的管廊節(jié)點斷面設計是按照運維功能區(qū)分的,根據(jù)運維功能的不同,分為接出口、投料口、人員出入口、通風口和交叉口(見圖2)。

而此項目根據(jù)需求,節(jié)點斷面是按照管道功能區(qū)分的。本項目的主要目的是為東西向輸水工程,管廊內(nèi)主要為供水管道管徑DN2 000一根,遠期預留DN2 000管道一根,并每隔2.4 km,管廊向外接出DN1 000預留口。根據(jù)工藝管道的管道功能將斷面分為排氣閥節(jié)點、沖洗閥節(jié)點、空氣閥節(jié)點等,并根據(jù)荷載及地質(zhì)條件具體劃分,最后分為16種標準斷面。項目斷面示意圖如圖3所示。

此項目綜合管廊還有一個特點,即除特殊區(qū)域外全線采用可開啟蓋板,蓋板為預制混凝土蓋板。這種全線可開啟的蓋板在后期運維時,可直接從頂部對管道進行維護,十分方便快捷。

2.2 設計方法

設計依據(jù)美標體系下,符合適用性和強度極限狀態(tài)要求,以及抗浮和管道推力方面的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

根據(jù)需要,使用ETABS軟件將結(jié)構(gòu)分析為2D框架/3D板模型(見圖4)。管廊結(jié)構(gòu)底板已建模并將支撐在土壤上。荷載將作為均勻分布或三角形分布荷載施加(垂直和水平構(gòu)件上)。根據(jù)屋頂和底板的設計規(guī)范建議,軸荷載計算并分配為點荷載/面積荷載。根據(jù)AASHTO LRFD組合,設計中考慮了垂直和水平荷載的各種條件以及荷載系數(shù)。

根據(jù)模型計算結(jié)果,提取各個構(gòu)件彎矩進行配筋計算及裂縫的驗算。

2.3 典型斷面

下面列舉了兩種典型斷面,在不同情況下的荷載考慮及結(jié)構(gòu)組成。

1)典型截面圖-1管廊上500 mm土壤覆蓋層(MOMRA交通荷載)。典型截面圖-1是輸水管廊段的主要延伸段(如圖5所示),具有典型的管道布置,帶有可拆卸頂蓋,用于根據(jù)水操作要求進入和維護管道和配件。大部分的斷面的基本組成都和這個斷面相同。并且這種斷面施工起來開挖最小且易于構(gòu)造結(jié)構(gòu)的方案。管廊由連續(xù)的混凝土底板、兩個外墻、兩排縱向間距為5 m的柱、連梁和可移動頂板組成。所有部件均由鋼筋混凝土制成,并具有防水保護。

典型截面圖-1考慮了0.5 m的覆土荷載,頂部允許MOMRA交通通行,同時考慮了20 kPa的附加荷載,可承擔頂部堆積的砂等意外荷載。

2)Wadi斷面圖-埋地管廊斷面。此斷面(如圖6所示)根據(jù)沿the spine進行的水力分析,確定了主要和次要的河道,并計算了不同的洪水深度和流速。對于主要的洪水穿越段,管廊段被認為埋在涉水河床以下。由于這個原因,無法從頂部對管道進行維護,因此制定了一種不同的策略,需要比典型的非交通管廊截面稍大的管廊。因此,設計了整體封閉管廊截面,以滿足所有空間要求。

2.4 BIM應用

在此次設計時,采用了一種相對新穎的方式,不同于以往的CAD畫圖,直接采用了BIM建模。這樣的方式更加的直觀清晰,利用BIM設計的可視化特性和BIM可視化成果,讓各參建方基于可視化成果進行溝通,提高效率。對于設計中出現(xiàn)的錯漏碰缺也能更直觀的觀察到,對可能存在的凈空、凈高問題進行優(yōu)化。在此基礎上后期施工圖可進行正向出圖(如圖7所示)。

圖7中為此段輸水管廊已建好的整體模型,可以看到整段管廊的節(jié)點布置、整體走向,標高變化,也可利用剖面框詳細的看每一個構(gòu)件的尺寸、結(jié)構(gòu)布置、空間大小和工藝管道的相對關系等,非常清晰明了。

3 預制裝配的應用

3.1 業(yè)主初步方案

最初業(yè)主提出施工方式采用概念設計,在概念設計中,綜合管廊采用構(gòu)件預制結(jié)合節(jié)點連接的方案。管廊構(gòu)件包含底板、壁板、柱、頂梁和頂板。二次施工的內(nèi)容包含底板頂部找坡層、防水等內(nèi)容。但在概念設計的預制方案中,在結(jié)構(gòu)的受力、連接、安裝等方面也存在了一些需要深化的內(nèi)容,預制構(gòu)件之間的連接均采用了現(xiàn)場澆筑混凝土的濕連接方式,施工過程中預制與現(xiàn)澆面容易發(fā)生開裂進而降低結(jié)構(gòu)性能。在預制壁板和現(xiàn)澆底板的連接中,壁板的鋼筋和底板預留的鋼筋并沒有進行連接,為了保證受力性能,對現(xiàn)場混凝土的澆筑質(zhì)量有較高的要求等問題。

3.2 優(yōu)化方案

綜合考慮結(jié)構(gòu)的力學性能、防水性能、使用功能、建造的效率、綠色建造等方面因素,本項目擬采用“線性滑動鋼模板”建造方案。本方案有以下特點:

1)現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)擁有更好的整體性能,預制結(jié)構(gòu)得力于鋼制的模板和養(yǎng)護條件而擁有更好的混凝土質(zhì)量。

2)現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)一次性澆筑的體量可以很大,現(xiàn)場模板量和濕作業(yè)量大,預制構(gòu)件受限于運輸和吊裝,其體量較小,現(xiàn)場的安裝量大。

3)現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)一次成型,防水性能較好,而預制構(gòu)件連接面防水薄弱。

現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)和預制混凝土結(jié)構(gòu)有著各自的優(yōu)缺點,如果可以取長補短,則可以獲得更好的工程效果?！熬€性滑動鋼模板”建造方案能夠較好的滿足上述需求。“線性滑動鋼模板”建造方案是采用大型成套設備對管廊壁板、柱進行連續(xù)現(xiàn)澆,完成一個區(qū)段的澆筑后快速移動到下一個區(qū)段,重復使用。建造模式相較于概念設計而言,將壁板預制、柱預制后現(xiàn)場澆筑混凝土連接的環(huán)節(jié)替換為現(xiàn)澆壁板、現(xiàn)澆柱,其余環(huán)節(jié)保持不變。和傳統(tǒng)現(xiàn)澆混凝土工程相比有如下特點:傳統(tǒng)的現(xiàn)澆混凝土工程現(xiàn)場需要大量的模板(通常采用木質(zhì)模板),以及固定模板的支架。而線性滑動鋼模體系取消了現(xiàn)澆混凝土需要的固定模板支架,變固定模板為滑移式活動鋼模(見圖8)。

在管廊中立柱的施工中,采用滑移式活動鋼模,并將其集成在器械中,隨器械移動施工。如圖9所示的立柱模板可集成至線性滑動鋼模體系中。

底板采用現(xiàn)澆的方式,即作為管廊結(jié)構(gòu)的一部分,在壁板施工時,也作為滑動器械的支撐平臺。頂板和頂板采用與概念設計相同的建造方案。

3.3 其余可應用方案

其余還有節(jié)段預制拼裝綜合管廊方案和疊合預制綜合管廊方案。但也存在預制構(gòu)件重量較大,防水薄弱環(huán)節(jié)較多的缺點。疊合預制管廊是采用預制疊合板,通過可靠連接,在疊合板中澆筑混凝土形成整體的綜合管廊。但本工程的環(huán)境存在較高的腐蝕性能,對鋼筋的保護層厚度要求較為嚴格,因此會增加疊合板的預制層厚度,使其便于運輸和安裝的優(yōu)勢下降。而且為了滿足疊合板的整體力學性能,需要在預制層和現(xiàn)澆混凝土層之間設置桁架鋼筋以增強界面的抗剪性能,疊合構(gòu)件的含鋼量將會增加,在經(jīng)濟性上處于劣勢。此兩種方案與上述方案對比后發(fā)現(xiàn)不適用于本工程,故在此不做過多贅述。

4 結(jié)論

沙特NEOM新未來城輸水管廊西線工程是國外的綜合管廊項目,與國內(nèi)的管廊工程還是有所不同的,為此,我們針對此次項目與國內(nèi)管廊的不同點進行了分析比對,并提出了設計方案,總結(jié)如下:

1)針對設計理念對比了國內(nèi)外管廊的不同。對于本項目涉及的國外規(guī)范進行整理,并依照美標體系下規(guī)范進行設計。2)利用ETABS軟件設計斷面,并詳細闡述兩個典型斷面的設計思路。3)利用BIM建模建立可視化成果,并可應用于后面施工圖的正向出圖。4)對于施工方案,對比了4種施工方案,提出了最經(jīng)濟合理的施工方案,即“線性滑動鋼模板”建造方案。